CN101980769B

CN101980769B - 液体搅拌方法、液体搅拌系统以及盒

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Publication number: CN101980769B
Application number: CN2009801110326A
Authority: CN
Inventors: 小寺秀俊; 铃木孝明; 神田健介; 野田雄一郎
Original assignee: Arkray Inc
Current assignee: Arkray Inc
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: US8876361B2; EP2260934A4; WO2009119918A3; EP2260934B1; CN101980769A; WO2009119918A2; EP2260934A2; US20110019497A1; JPWO2009119918A1; JP4980465B2

Abstract

本发明提供一种在微量的液体中产生回旋流进行搅拌的液体搅拌方法。该液体搅拌方法包括在具有质量分布不均匀的壁的搅拌槽(3)容纳液体的工序、对上述壁一边在规定的频率范围内使频率变化一边给予振动(F)的工序。使上述壁的质量分布不均匀例如通过将厚度不同的多个厚壁部(11～18)构成为环状而实现。

Description

液体搅拌方法、液体搅拌系统以及盒

技术领域

本发明涉及液体搅拌方法和液体搅拌系统。另外，本发明涉及用于上述液体搅拌系统的盒(盘，cartridge)。

背景技术

健康状况的检查例如能够通过分析血液中的特定成分进行。近年来，用于进行这样的成分分析的、比较小型的分析装置得以开发。在这样的分析装置之中，在进行成分分析时，用于将血液与稀释液混合、或将被稀释的血液与试剂混合的、具备液体搅拌功能的装置是存在的。

图18表示用于现有的液体搅拌方法(参照下述的专利文献1)的盒X以及搅拌臂96。在盒X的主体91，形成有用于稀释血液94的稀释槽92。导入稀释槽92的血液94与稀释液95一起被搅拌。为了进行搅拌，在稀释槽92内预先容纳带有磁的搅拌用粒子93。另一方面，搅拌臂96具备相互分开的一对磁铁，成为绕规定的轴芯旋转的结构。搅拌臂96旋转旋转时，通过各磁铁的磁力驱动搅拌用粒子93进行圆运动，搅拌血液94和稀释液95。

专利文献1：日本专利第3135057号公报

供成分分析的血液94的量一般为微量(例如μL等级)。因此，各搅拌用粒子93有必要为微小的粒子。另外，搅拌用粒子93不能为妨碍血液94的特定成分分析的性状(特质，性质)。但是，使用满足这样的要求的搅拌用粒子93，成为使盒X的成本提高的一个原因。特别是，在盒X为可任意处理式(disposable type)的情况下，成本的提高成为实用化的很大障碍。

在上述现有的液体搅拌方法中，还存在其他问题。如上述那样，搅拌用粒子93的圆运动由磁力(非接触力)驱动。因此，由于血液94的抵抗力等，搅拌用粒子93的运动不能够适当地追随搅拌臂96的运动。特别是，该现象伴随搅拌臂96的旋转数上升而变得显著。这样的不良情况成为搅拌力提高的阻碍，进而对试样(检体，样品)的分析所需的时间延长。

发明内容

本发明是鉴于以上情况而分析得出的。于是，本发明的课题在于，提供能够更适宜地进行液体搅拌的技术。

本发明第一方面提供一种液体搅拌方法，在具有壁的搅拌槽内容纳液体，其中，该壁在与厚度方向成直角的方向的质量分布不均匀，通过对上述壁边一边在规定的频率范围内使频率变化一边给予振动，在上述液体中产生回旋流(涡流)。

根据上述结构，除了无需向上述搅拌槽内插入用于搅拌上述液体的物体之外，还可以变更在上述液体中产生的回旋流的滞流点(驻点)。由此，能够促进上述液体的搅拌。

优选上述频率范围包含上述壁的振幅取最大值的频率。根据这样的结构，上述壁的振动模式以取上述最大值的频率为界显著地变化。由此，能够使在上述液体中产生的回旋流的流动模式明确地变化。这适合于促进上述液体的搅拌。

优选上述搅拌槽为圆形，上述壁形成上述搅拌槽的底面。根据这样的结构，有利于在上述液体中产生回旋流。

优选上述壁在上述搅拌槽的周方向的质量分布不均匀。根据这样的结构，能够更有效地使圆形的上述壁的振动模式发生变化。

优选上述壁通过厚度不均匀而成为质量分布不均匀。

根据本发明第二方面提供一种盒，其含有：用于搅拌液体的搅拌槽；和与上述搅拌槽连接的微细流路。上述搅拌槽具有在与厚度方向成直角的方向的质量分布不均匀的壁。

优选上述搅拌槽为圆形，上述壁形成上述搅拌槽的底面。

优选上述壁在上述搅拌槽的周方向质量分布不均匀。

优选上述壁通过厚度不均匀而成为质量分布不均匀。

根据本发明的第三方面提供一种液体搅拌系统，其具备：根据本发明第二方面提供的盒；和对上述盒的上述壁一边使频率发生变化一边给予振动的助振(激振，励振)机构。

优选上述频率范围包含上述壁的振幅取最大值的频率。

附图说明

图1是表示具备基于本发明的液体搅拌系统的分析装置的立体图；

图2是表示基于本发明的液体搅拌系统使用的盒的主要部分的立体图；

图3A是表示上述盒的主要部分的立体图；

图3B是表示图3A所示的结构的变形例的立体图；

图4是说明图3A所示的结构的示意图；

图5是表示底板的膜振动模式的附图；

图6是表示底板的振动测算结果的附图；

图7是表示底板的振动测算结果的附图；

图8是表示回旋流的流动模式的附图；

图9是表示搅拌槽中的搅拌试验结果的附图；

图10是表示搅拌槽中的搅拌试验结果(事例1)的附图；

图11是表示搅拌槽中的搅拌试验结果(事例2)的附图；

图12是表示搅拌槽中的搅拌试验结果(事例3)的附图；

图13是表示搅拌槽中的搅拌试验结果(事例4)的附图；

图14是表示搅拌槽中的搅拌试验结果(事例5)的附图；

图15是表示搅拌槽中的搅拌试验结果(事例6)的附图；

图16是表示搅拌槽中的搅拌试验结果(事例7)的附图；

图17是表示使用扬声器给予振动(助振)的振幅分布解析结果的附图；

图18是说明现有的液体搅拌方法的附图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的优选实施方式进行具体说明。

图1表示采用了基于本发明的液体搅拌方法的试样分析系统。该试样分析系统包含盒A和试样分析装置B。盒A能够相对于试样分析装置B以可拆卸的方式装填。在进行试样分析时，将试样滴附(点施)于盒A后，将盒A装填于试样分析装置B。之后，对于盒A内的试样进行规定的搅拌处理(在后面叙述)，然后，通过试样分析装置B对试样进行分析。试样分析装置B通过例如光学方法，对于在试样中含有的特定成分进行各种测定。例如，在试样在为血液的情况下，能够进行在血液中含有的血球(白血球、红血球等)的计数、血红蛋白(Hb)或C反应性蛋白(CRP)等的定量。试样不限定于血液，也可以为其它液体(例如尿)。在以下的说明中，假设血液作为试样，但本发明不受其限定。

如以下详述的那样，盒A具备血液滴附部、稀释液槽、搅拌槽，分析部、以及连结它们的微细流路。盒A在一次分析作业完成时被废弃，以所谓的可任意处理式的方式使用。

图2表示盒A的一部分。另外，符号6表示在试样分析装置B上设置的促动器。促动器6为在盒A装填于试样分析装置B的状态下位于盒A的下方的结构。促动器6为助振机构的一个例子，由例如压电元件和自此延伸的悬臂组成。如图2所示，盒A具有上板1A、中板1B和底板1C粘合而成的结构。上板1A、中板1B和底板1C例如由聚二甲基硅氧烷(PDMS)等硅树脂形成。由PDMS形成的板材具有优良的可挠性，若施加助振力时容易发生振动。另外，如同根据后面的说明所理解的那样，没有必要使上板1A、中板1B和底板1C全部由硅树脂形成。例如，仅使底板1C由上述硅树脂形成，上板1A和中板1B也可以由例如丙烯酸(类)树脂等更硬质的材料形成。

如图2所示，盒A包括稀释液槽2A、血液槽2B、搅拌槽3、排出槽4和三条流路51A、51B、52。流路51A将搅拌槽3与稀释液槽2A彼此连接，流路51B将搅拌槽3与血液槽2B彼此连接，另外，流路52将搅拌槽3与排出槽4彼此连接。该种结构能够通过例如以下这样的方法实现。首先，在成为中板1B的基体的平板上形成4个圆形贯通孔(与上述各槽2A、2B、3、4对应)，并且形成与上述各流路51A、51B、52对应的3个微细的缝隙(或沟，槽)。然后，在这样得到的中板1B的上面粘合上板1A，在中板1B的下面粘合底板1C。这样，得到图2所示的多层构造体。在稀释液槽2A充填用于稀释血液的稀释液。在血液槽2B储存作为试样的血液。如上述那样，稀释液槽2A和血液槽2B通过流路51A、51B与搅拌槽3连结，准备好的上述稀释液和血液经由这些流路向搅拌槽3输送。在搅拌槽3中，通过将稀释液和血液搅拌及混合，得到稀释血液。该稀释血液经由流路52从搅拌槽3向排出槽4输送。如图2所示，在上板1A形成有两个贯通孔21和一个贯通孔41(这些贯通孔在将上板1A粘合于中板1B之前形成)。两个贯通孔21与稀释液槽2A和血液槽2B分别连通，贯通孔41与排出槽4连通。这些贯通孔21、41为了赋予用于输送上述的血液、稀释液和稀释血液所需的正压或负压而使用。

图3A是表示盒A中形成有搅拌槽3的部分和其关联部分的立体图(在图3A中上下倒置)。如同图所示，在底板1C的表面(上表面)(在图2中为下面)，形成有环状连接的多个厚壁部11～18。各厚壁部11～18成为占有将底板1C的表面的圆环区域(沿搅拌槽3的外周延伸)八等分的一个区域(对应于中心角45度的区域)的结构(即各壁厚部11～18的底面积相等)。搅拌槽3的尺寸例如为：直径为1mm，深度为50μm。底板1C的厚度一定，例如为210μm。厚壁部11～18各自的厚度(以底板1C的表面为基准时的高度)例如为80μm、70μm、60μm、50μm、40μm、30μm、20μm、10μm。由厚壁部11～18构成的环状部分例如外径为800μm，内径为500μm。如上述那样，由于厚壁部11～18的厚度阶段性地变小，因此厚壁部11～18的质量也阶段性地变小。另外，上述的说明为基于“各厚壁部11～18和底板1C为不同部件，底板1C的厚度一定”的见解的记载，但也能够为其它的方案。例如，也可以提出“各厚壁部11～18是底板1C的一部分，底板1C的厚度在环状厚壁部的各位置为不均匀”。在该情况下，例如在形成有厚壁部11的位置的底板1C的厚度为290μm(＝210μm+80μm)。图3B是表示图3A所示的结构的变形例。在本发明中，如图3B所示，也可以为环状厚壁部的厚度连续变化的结构。在该情况下，环状厚壁部的上面(上表面)为平滑地倾斜的斜面状。

图4是表示用于说明图3A所示的部分的力学结构的模型。在该模型中，将多个砝码(或质点)M1～M8圆形配置，这些砝码通过弹簧固定在圆形板1C’。砝码M1～M8分别与厚壁部11～18对应。对砝码M1施加沿上下方向振动的助振力(参照图3A的符号F)时，圆形板1C’发生振动。其结果是，根据助振力的频率，砝码M1～M8中的某一个显著地发生振动。另外，改变助振力的频率时，则另一个砝码显著地发生振动。因此，通过使助振力的频率随着时间改变，例如从砝码M1向砝码M8，能够依次变更显著地发生振动的砝码。

在实际的结构体(图3A)中，除了厚壁部11～18(砝码M1～M8)的振动，还会发生底板1C的圆形部分(构成搅拌槽3的壁的一个)的振动。图5表示该振动模式的例子(在各模式中，点划线表示振动的节(波节，状况))。随着施加给底板1C的圆形部分的振动的频率从低频率向高频率提升，出现如图所示的11模式、21模式、31模式、12模式、22模式、41模式的各个的振动模式。

如上所述，底板1C的振动为图4所示的砝码M1～M8的振动和图5所示的膜振动的复合振动(耦合振动)。该复合振动的变动(变化，行迹，特性，举动)依赖于底板1C的形状和尺寸，以及厚壁部11～18的形状、尺寸、配置等。图6和图7表示为了调查底板1C振动时的振幅分布状况而进行的模拟的结果。在该模拟中，如图3A所示，设定为向厚壁部11施加助振力F。在这些图中，相对暗的色调的部分与振幅相对大的位置对应。因此，色调局部暗的部分(即，与周围的色调相比，相对暗的部分)表示底板1C的振幅为极大的位置。如上述那样，由于设定为向厚壁部11施加助振力F，所以厚壁部11振幅时常(始终)为相对较大。根据图6和图7而理解，若频率增加(或减少)20Hz，则振幅分布显著地变化，特别是底板1C的振幅为极大的位置发生改变。另外，在本模拟中，虽然将助振力F的频率的变动范围设定为从6852.8Hz至7248.8Hz，但此范围是一个例子，本发明并不限定于此。例如，也可以将助振力F的频率设定为上述范围以外的4836.2Hz、4836.2Hz、4876Hz、4975.5Hz、4995Hz、5134.7Hz等。在本模拟中，在这些频率中，底板1C的(至少一部分的)振幅成为最大。另外，在本发明中，厚壁部的个数不限定于8个，另外，助振力F的施加对象也不限定于厚壁部11。

通过上述的底板1C的复合振动，在搅拌槽3中的血液和稀释液中产生回旋流。图8表示这样的回旋流的代表性的流动模式。根据发明者们的实验，在例如类似于图5所示的11模式的复合振动的情况下，推测为产生图8(a)所示的流动模式。当复合振动的模式变得更加复杂时，则推测为产生用图8(b)或(c)所表示的流动模式。通过使助振力F的频率发生变化，在搅拌槽3内依次发生这些流动模式，或以各流动模式重复正转和逆转。

在搅拌槽3将血液稀释后，将该稀释血液向排出槽4输送。图1所示的试样分析装置B自动地对该稀释血液进行血球的计数、血红蛋白或C反应性蛋白的测定等。

然后，对上述的液体搅拌方法、液体搅拌系统的作用进行说明。

根据本发明，对于搅拌槽3内的液体能够产生图8所示的各种模式的回旋流。这些流动模式，各回旋流的中心(滞流点)的位置互不相同。因此，通过并用这些流动模式，能够变更在搅拌槽3中的滞流点的位置，其结果是，能够避免液体的一部分没有被搅拌的不良情况。另外，根据本发明，能够在搅拌槽3内没有容纳任何搅拌用粒子(图18的符号93)等的情况下实现这样的适宜的搅拌。这有利于防止对被搅拌的液体的污染、和作为可任意处理型使用的盒A的成本的降低。

另外，通过使搅拌槽3为圆形，从而能够容易地在搅拌槽3内产生回旋流。由于厚壁部11～18沿成为圆形的搅拌槽3环状配置，从而如图6所示，通过频率能够使底板1C的振幅分布明显地不同。若底板1C的振幅分布显著不同，则有利于变更搅拌槽3内的流动模式。

在搅拌槽3的相反侧，在底板1C形成有厚壁部(砝码)11～18。因此，能够相对于搅拌槽3比较容易地将砝码配置在所期望的位置。

图9表示验证基于本发明的液体搅拌方法的搅拌效果的实验结果。在本实验中，向搅拌槽3导入不同的两种液体，将从流路52流出时的搅拌程度以搅拌指标I_E进行了比较。搅拌指标I_E为在上述两种液体完全分离的状态下为0、在搅拌直至变得完全均匀的状态下为1.0的指标。

图9(a)表示在搅拌槽3中没有实现预期的搅拌的事例的试验结果。在该情况下，搅拌指标I_E为0.31。(b)表示在底板1C上施加固定频率(f＝8900Hz)的助振力F的事例的试验结果。即使为固定频率，也确认在搅拌槽3中产生了回旋流。在该情况下，搅拌指标I_E为0.49，由回旋流带来的搅拌效果得到承认。(c)表示施加频率从4600Hz至9200Hz之间变化的助振力F的事例的试验结果。在该频率范围，包含4836.2Hz、4836.2Hz、4876Hz、4975.5Hz、4995Hz、5134.7Hz的频率。在该情况下，在搅拌槽3的液体中周期性地产生不同的流动模式的回旋流的情况得到确认。其结果是，搅拌指标I_E上升至0.92。其原因能够考虑为通过产生多个流动模式的回旋流，而使滞流点的位置不固定所带来的显著的搅拌效果。

图10～图16示意性地表示在对助振力F的频率进行多种设定的情况下的搅拌槽3内的流动模式。各事例的助振力F的条件如以下的表1所示。在本试验中，在搅拌槽3内装满混入了微细示踪(追踪，描绘，tracer)粒子的流体，在对该示踪粒子照射光的状态下，对施加助振力F的情形进行视频拍摄。图10～图16根据该视频图像，描述在搅拌槽3发生的流动模式。

表1

阶跃：

三角波：

正弦波：

在如图10所示的事例1中，将助振力F的频率固定在8.9kHz。在该情况下，在搅拌槽3内产生两个旋涡。此时的流动模式不随时间发生变化。该状态和作为图9(b)所示的事例类似。虽然搅拌槽3内的流体被搅拌，但由于流动模式不变而产生滞流点。因此，在图9(b)的事例中，推测为搅拌指标I_E止于0.49。

在图11所示的事例2中，使助振力F的频率在14kHz和20kHz之间阶跃地变化(即将频率交替地设为14kHz和20kHz)。在该情况下，在搅拌槽3内产生一个较大的旋涡。主要原因为频率比较高，因此旋涡的旋转速度为比较高的速度。图12所示的事例3为，随着时间的经过使频率在7.8kHz和8.8kHz之间以三角波状变化(直线地增加及减少)的事例。在该事例中流动模式几乎是一定的。

在图13～图16分别表示的事例4～事例7中，在搅拌槽3内至少重复两种流动模式。只要为这样的流动模式，则在搅拌槽3内滞流点就不止一个位置，搅拌槽3全体被普遍搅拌。这些事例和图9(c)所示的事例类似。图9(c)的搅拌指标I_E提高到0.92的主要原因能够考虑为是由流动模式变化所带来的。

在本发明中，作为助振机构，不限于上述的压电元件和悬臂的接触式的结构。例如，也可以采用使用了扬声器(振动膜)的非接触的结构。图17表示对具有与上述底板1C类似的不均匀的质量分布的壁使用扬声器施加助振力F的情况下的振动响应的解析结果。该壁设为厚度为140μm、厚壁部的厚度为50～400μm的范围。助振力F的频率从1216Hz变化至1295Hz。在同图中，越接近白色的区域振幅越大。通过这样的非接触的助振机构，能够通过使频率发生变化而使壁的振幅分布不同，能够在液体中产生流动模式不同的回旋流。

本发明不限定于上述的实施方式。例如，厚壁部11～18的配置不限于环状，只要为通过助振力F的频率变化使振动模式明确地变化的配置即可。作为使底板1C的质量分布不均匀的方法，不限定于与底板1C一体形成厚壁部11～18的情况。例如，也可以将多个金属制的部件离散地附着于底板1C。另外，也可以对底板1C离散且不均匀地印刷密度比较高的涂料。进而，也可以使厚度一定的底板1C的密度分布局部不均匀。搅拌槽3不限定为圆形，只要为适合在容纳的液体中产生回旋流的形状即可。被形成为质量分布不均匀的壁，不仅是底板1C，也可以为形成搅拌槽3的其它的壁。

Claims

1.一种液体搅拌方法，其特征在于：

在具有壁的搅拌槽内容纳液体，其中，该壁在与厚度方向成直角的方向的质量分布不均匀，

通过与该壁分体的助振机构，对所述壁一边在规定的频率范围内使频率发生变化一边给予振动，在所述液体中产生回旋流。

2.如权利要求1所述的液体搅拌方法，其特征在于：

所述频率范围包含所述壁的振幅取最大值的频率。

3.如权利要求1所述的液体搅拌方法，其特征在于：

所述搅拌槽为圆形，所述壁形成所述搅拌槽的底面。

4.如权利要求3所述的液体搅拌方法，其特征在于：

所述壁在所述搅拌槽的周方向的质量分布不均匀。

5.如权利要求1所述的液体搅拌方法，其特征在于：

所述壁通过厚度不均匀而成为质量分布不均匀。

6.一种盒，其特征在于，包括：

用于搅拌液体的搅拌槽；和

与所述搅拌槽连接的微细流路，

所述搅拌槽具有壁，该壁在与厚度方向成直角的方向的质量分布不均匀，

所述壁构成为通过与该壁分体的助振机构被施加振动。

7.如权利要求6所述的盒，其特征在于：

所述搅拌槽为圆形，所述壁形成所述搅拌槽的底面。

8.如权利要求7所述的盒，其特征在于：

所述壁在所述搅拌槽的周方向的质量分布不均匀。

9.如权利要求6所述的盒，其特征在于：

所述壁通过厚度不均匀而成为质量分布不均匀。

10.一种液体搅拌系统，其特征在于，具备：

权利要求6所述的盒；和

对所述盒的所述壁一边使频率发生变化一边给予振动的助振机构。

11.如权利要求10所述的液体搅拌系统，其特征在于：

所述振动的频率范围包含所述壁的振幅取最大值的频率。